Градиент концентрации. Концентрационный градиент натрия (Na), как движущая сила мембранного транспорта. Отличия облегченной диффузии от простой
Предметная область: полимеры, синтетические волокна, каучук, резина
Наглядно представить образование в суспензии такого градиента концентрации довольно трудно, благодаря влиянию молекул растворителя. Явление это можно сравнить с поведением смеси двух газов при постоянных температуре и давлении, но с градиентом концентрации того и другого компонента. Рассмотрим плоскость, проведенную через такую газовую смесь перпендикулярно направлению градиента концентрации. Предположим, что концентрация компонента А выше в левой части плоскости и ниже в правой; распределение компонента В должно быть обратное. В единицу времени в левой части плоскости должно приходить в столкновение большее число молекул А, чем в правой; для молекул В справедливо обратное. Следовательно, больше молекул А будет проходить через плоскость слева направо и подобным же образом больше молекул В будет двигаться справа налево. В результате наступит уравнивание концентраций двух компонентов. Этот процесс представляет собой диффузию газов. Если теперь перейти к жидкой суспензии, в которой существует подобный же градиент концентрации взвешенных частичек, то ясно, что можно повторить предыдущее рассуждение, приложив его к движению твердых частичек и молекул растворителя через плоскость, проведенную под прямым углом к градиенту концентрации . Однако общее число частичек в единице объема не остается постоянным, и рассуждение соответственно следует изменить. Ясно, что число молекул растворителя, пересекающих плоскость в направлении от места с высокой концентрацией взвешенных частичек, будет меньше, чем в обратном направлении из-за присутствия частичек, преграждающих путь.
Закон Фика для диффузии в одном направлении связывает положительный поток частиц А с отрицательно направленным градиентом концентрации (постоянная плотность и малая концентрация частиц):
Как отмечалось выше, электроактивные вещества достигают поверхности электрода в результате: 1) диффузии, обусловленной градиентом концентрации между поверхностью электрода и объемом раствора, и 2) электрической миграции заряженных частиц, обусловленной градиентом потенциала между электродом и раствором. Этот миграционный ток необходимо исключить или уменьшить насколько возможно добавлением большого избытка инертного электролита, который не участвует в реакции на электроде. Возникающий при этом предельный ток будет только диффузионным током. Для того чтобы можно было исключить миграционный ток, концентрация инертного электролита должна быть по крайней мере в 50 раз больше концентрации электроактивного вещества.
При идеальном диффузионном токе электроактивное вещество достигает электрода только в результате диффузии, обусловленной градиентом концентрации, возникающим вследствие убыли вещества на электроде. Этот градиент существует на протяжении диффузионного слоя, где концентрация меняется от практически нулевой на поверхности электрода до концентрации, существующей в объеме раствора. Диффузионный ток можно определить по высоте волны на кривой сила тока - напряжение.
Основные законы диффузии были, как известно сформулированы Фиком. Первый закон Фика устанавливает связь между скоростью диффузионного потока / и градиентом концентрации С по расстоянию х от по-
Так как влага может быть удалена из глиняных изделий только путем испарения с поверхности, а из внутренних частей продвигается наружу только под действием силы, связаннойс градиентом концентрации *, то полное устранение усадочной деформации при сушке невозможно. Она может быть, однако, сведена к минимуму при достаточной продолжительности сушки и при соответствующем контроле температуры и влажности, необходимом для устранения неравномерного распределения влаги на поверхности. Такой контроль вместе с тепловым режимом лучше всего достигается при использовании противоточных сушилок, преимущественно туннельного типа. Чем более пластична смесь и более сложна форма, тем более тщательна должна быть сушка **.
При экстрагировании полимерного образца жидкостью с постепенно возрастающей растворяющей способностью в первую очередь растворяются более низкомолекулярные части, а потом остальные Улучшение растворяющей способности достигается путем изменения температуры или состава экстрагирующей жидкости Особенно хорошие результаты получаются при применении колонны с градиентом концентрации и температуры, когда происходит многократное растворение и осаждение полимера
При скорости вращения (4-6)-104 об/мин в ультрацентрифуге развивается центробежное ускорение, равное ~106 g. При таких проведения эксперимента - наблюдение за неравновесным процессом седиментации - называют скоростной седиментацией. Измерение положения границы 16 и ее смещения во времени проводится с помощью оптических схем (см. стр. 160), что позволяет рассчитать коэффициент седиментации : „ _ \ Лт_ _ 1 d In r
Вследствие теплового движения макромолекул в растворе происходит перемещение (диффузия) растворенного вещества в направлении от большей концентрации к меньшей. Если осторожно "наслоить" на поверхность раствора полимера с концентрацией С\ растворитель (Со), то постепенно граница раздела А-А будет размываться (рис. 1.11). Молекулы растворителя будут диффундировать в направлении х в раствор, а макромолекулы - в противоположном направлении , в слой растворителя. Изменение концентрации на отрезке dx называется градиентом концентрации. Скорость изменения концентрации в результате диффузии (скорость диффузии) описывается соотношением
При контакте катеонита вида (НМ)ж с разбавленным раствором сильного электролита М+А~ величина [М+] в ионите будет значительно больше, чем [М+] в растворе, а [А~~] - меньше [А~]. Вследствие того, что концентрация их в двух фазах различна, небольшие подвижные ионы будут стремиться выравнивать ее путем диффузии, а это приведет к нарушению электронейтральности раствора, к возникновению положительного пространственного заряда в растворе и отрицательного в ионите. В результате установится равновесие Доннана между градиентом концентрации, вызванным диффузией, и электростатическим потенциалом, препятствующим ей, и на границе катионит-раствор (рис. 191) Рис. 191. Схема распределения заря-возникнет разность потенциалов - доннановский потенциал
Диффузионные явления при формировании системы адгезив - субстрат весьма разообразны. К ним относятся поверхностная диффузия адгезива, самодиффузия в слое адгезива, иногда происходит объемная одно- или двусторонняя диффузия через границу раздела адгезив - субстрат. Кроме того, перечисленные процессы имеют различные механизмы . Например, различают активированную, полуактивированную и неактивированную диффузию. Ниже эти различные процессы будут рассмотрены более подробно. >> Часто полагают, что движущей силой диффузии является градиент концентрации. Однако перемещение, вызванное градиентом концентрации и приводящее к постепенной гомогенизации системы, не исчерпывает все возможные проявления этого сложного процесса. Весьма часто при диффузии происходит не выравнивание концентраций, а, наоборот, дальнейшее разделение компонентов системы. Поэтому более правильно считать, что движущей силой диффузии является разность термодинамических потенциалов, и перенос вещества путем диффузии сопровождается понижением свободной энергии системы. Выравнивание термодинамических потенциалов и приближение к термодинамическому равновесию достигается за счет теплового движения атомов (молекул). Термодинамический потенциал можно разложить на энергетическую и энтропийную составляющие. Механизм диффузии зависит от соотношения этих составляющих. В некоторых случаях внутренняя энергия системы при диффузии не изменяется, и
Здравствуйте! Согласно определению, градиент концентрации направлен из стороны меньшей концентрации в сторону большей. Поэтому про диффузию всегда говорят, что она направлена против градиента концентрации, т.е. из стороны с большей концентрации в сторону меньшей.
Однако, когда читаешь литературу про жизнедеятельность клетки, фотосинтез, в ней всегда говорится, что "по градиенту концентрации" - это в сторону уменьшения концентрации, а "против градиента концентрации"- в сторону увеличения концентрации и, таким образом, например, простая диффузия в клетках (или, иначе, обычная диффузия) направлена по градиенту концентрации.
Но ведь возникает противоречие. Получается, что выражение "по градиенту концентрации" на самом деле есть движение противное направлению градиенту концентрации. Как такое может быть?
Эта устойчивая и широко распространенная ошибка связана с различием в понимании направления вектора градиента концентрации в физике и биологии. Биологи предпочитают говорить о направлении вектора градиента концентрации от большего к меньшему значению, а физики от меньшего к большему.
Оглавление темы "Передача информации посредством электрического возбуждения.":1. Передача информации посредством электрического возбуждения. Потенциал покоя.
3. Изменения внеклеточной концентрации калия (К).
4. Влияние глии на состав межклеточной среды. Гематоэнцефалический барьер.
5. Потенциал действия. Временной ход потенциала действия. Реполяризация.
6. Следовые потенциалы. Природа потенциала действия. Порог и возбудимость.
7. Проводимость мембраны. Ионные токи во время потенциала действия.
8. Кинетика ионных токов во время возбуждения. Регистрация мембранных токов.
9. Натрий (Na) и калиевая (K) проводимость во время потенциала действия.
10. Инактивация натриевого (Nа) - тока.
Диффузионный потенциал. Ранее было отмечено, что потенциал покоя представляет собой диффузионный потенциал ионов , которые пассивно перемещаются через каналы в мембране. В состоянии покоя большинство открытых каналов мембраны являются калиевыми (K)-каналами; следовательно, потенциал покоя в первом приближении определяется трансмембранным градиентом концентрации калия (K) . На рис. 2.2 показана зависимость измеренного потенциала от внеклеточной концентрации калия (K).
Рис. 2.2. Зависимость потенциала покоя в мышечном волокне лягушки (ордината) от внеклеточной концентрации калия (K) (абсцисса, логарифмическая шкала). Кружками отмечены значения мембранного потенциала, измеренного при различных концентрациях ионов калия [К+]0. Прямая линия отражает соотношение между калиевым равновесным потенциалом и [К+]0, рассчитанное по уравнению Нернста. Коэффициент 58 учитывает пониженную температуру тела лягушки.После сдвига внеклеточной концентрации К+ внутриклеточная концентрация сначала сохраняется на прежнем уровне, и в течение этого короткого промежутка времени измеряемый калиевый (K) -потенциал должен в соответствии с уравнением Нернста изменяться пропорционально логарифму [К+]0. Этот калиевый (K)-потенциал. Е(k), обозначен красной линией на рис. 2.2. Регистрируемые значения потенциала покоя в верхнем диапазоне очень близки к Е(k), однако по мере снижения [К+]0 они становятся все менее отрицательными по сравнению с Е(k). Это расхождение следует отнести за счет относительно большего вклада натриевой проницаемости PNa при низком значении [К+]0. Отклонение регистрируемых значений потенциала покоя от Е(k) исчезает, если прекратить поступление натрия (Na) , например, путем замещения внеклеточного натрия (Na) таким неспособным к диффузии катионом, как холин. Отсюда следует, что нормальный потенциал покоя примерно на 10 мВ более положителен, чем Е(k).
Оглавление темы "Эндоцитоз. Экзоцитоз. Регуляция клеточных функций.":1. Воздействие Na/K-насоса (натрий калиевого насоса) на мембранный потенциал и объем клетки. Постоянный объем клетки.
3. Эндоцитоз. Экзоцитоз.
4. Диффузия в переносе веществ внутри клетки. Значение диффузии в эндоцитозе и экзоцитозе.
5. Активный транспорт в мембранах органелл.
6. Транспорт в везикулах клетки.
7. Транспорт путем образования и разрушения органелл. Микрофиламенты.
8. Микротрубочки. Активные движения цитоскелета.
9. Аксонный транспорт. Быстрый аксонный транспорт. Медленный аксонный транспорт.
10. Регуляция клеточных функций. Регуляторные воздействия на клеточную мембрану. Мембранный потенциал.
11. Внеклеточные регуляторные вещества. Синаптические медиаторы. Локальные химические агенты (гистамин, фактор роста, гормоны, антигены).
12. Внутриклеточная коммуникация с участием вторых посредников. Кальций.
13. Циклический аденозинмонофосфат, цАМФ. цАМФ в регуляции функции клетки.
14. Инозитолфосфат «ИФ3». Инозитолтрифосфат. Диацилглицерол.
Значение Na/K-насоса для клетки не ограничивается стабилизацией нормальных градиентов К+ и Na+ на мембране. Энергия, запасенная в мембранном градиенте Na+, часто используется для обеспечения мембранного транспорта других веществ. Например, на рис. 1.10 показан «симпорт» Na+ и молекулы сахара в клетку. Мембранный транспортный белок переносит молекулу сахара в клетку даже против градиента концентрации, в то же время Na+ движется по градиенту концентрации и потенциала , обеспечивая энергию для транспорта Сахаров. Такой транспорт Сахаров полностью зависит от существования высокого градиента натри я; если внутриклеточная концентрация натрия существенно возрастает, то транспорт сахаров прекращается.
Рис. 1.8. Соотношение между скоростью транспорта молекул и их концентрацией (в месте входа в канал или в месте связывания насоса) при диффузии через канал или при насосном транспорте. Последний при высоких концентрациях насыщается (максимальная скорость, V max); значение по оси абсцисс, соответствующее половине максимальной скорости насоса (Vmax/2), является равновесной концентрацией КтДля различных сахаров существуют разные симпортные системы. Транспорт аминокислот в клетку сходен с транспортом Сахаров, показанным на рис. 1.10; он также обеспечивается градиентом Na+; существует по крайней мере пять различных систем симпорта, каждая из которых специализирована для какой-либо одной группы родственных аминокислот.
Рис. 1.10. Белки, погруженные в липидный бислой мембраны, опосредуют симпорт глюкозы и Na в клетку, а также Са/Na-антипорт, в котором движущей силой является градиент Na на клеточной мембране
Помимо симпортных систем существуют также «антипортные ». Одна из них, например, за один цикл переносит один ион кальция из клетки в обмен на три входящих иона натрия (рис. 1.10). Энергия для транспорта Са2+ образуется за счет входа трех ионов натрия по градиенту концентрации и потенциала. Этой энергии достаточно (при потенциале покоя) для поддержания высокого градиента ионов кальция (от менее 10 -7 моль/л внутри клетки до приблизительно 2 ммоль/л вне клетки).
Характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде. Например, если рассмотреть две области с различной концентрацией какого-либо вещества, разделённые полупроницаемой мембраной, то градиент концентрации будет направлен из области меньшей концентрации вещества в область с большей его концентрацией Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]][[К:Википедия:Статьи без источников (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]] .
Определение
Градиент концентрации направлен по пути l
, соответствующему нормали к изоконцентрационной поверхности (полупроницаемой мембране). Значение концентрационного градиента texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \nabla C
равно отношению элементарного изменения концентрации dC
к элементарной длине пути dl
:
texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \nabla C = \frac{dC}{dl}
При постоянном значении градиента концентрации C на длине пути l :
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файлtexvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \nabla C = \frac{C_1 - C_2}{l}
Здесь C 1 и C 2 - начальное и конечное значение концентрации на длине пути l (нормали к изоконцентрационной поверхности).
Градиент концентрации может быть причиной переноса веществ, например диффузии . Диффузия осуществляется против вектора градиента концентрации[[К:Википедия:Статьи без источников (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]][[К:Википедия:Статьи без источников (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]][[К:Википедия:Статьи без источников (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]] .
Единицей измерения градиента концентрации в Международной системе единиц (СИ) является величина −4 (моль/м 4 или кг/м 4), а также её дольные или кратные производные.
См. также
Напишите отзыв о статье "Градиент концентрации"
Литература
- Антонов В. Ф., Черныш А. М., Пасечник В. И. Биофизика - М .: ВЛАДОС, 2000, С. 35. ISBN 5-691-00338-0
- Трифонов Е. В. - СПб.: 2011.
Отрывок, характеризующий Градиент концентрации
– Это Ведьмы и Ведуны, Изидора. Когда-то одним из них был твой отец... Мы обучаем их.Сердце болело... Мне хотелось завыть волчьим голосом, жалея себя и свою короткую потерянную жизнь!.. Бросив всё, сесть вместе с ними, с этими счастливыми Ведунами и Ведьмами, чтобы познать умом и сердцем всю глубину чудесного, так щедро открытого им великого ЗНАНИЯ! Жгучие слёзы готовы были хлынуть рекой, но я из последних сил пыталась их как-то удерживать. Делать это было никак нельзя, так как слёзы были очередной «запрещённой роскошью», на которую у меня не было никакого права, если я мнила себя настоящим Воином. Воины не рыдали. Они боролись и побеждали, а если гибли – то уж точно не со слезами на глазах... Видимо, я просто очень устала. От одиночества и боли... От постоянного страха за родных... От бесконечной борьбы, в которой не имела ни малейшей надежды выйти победительницей. Мне был очень нужен глоток свежего воздуха, и этим воздухом для меня была моя дочь, Анна. Но почему-то, её нигде не было видно, хотя я знала, что Анна находится здесь, вместе с ними, на этой чудесной и странной, «закрытой» земле.
Север стоял рядом со мной на краю ущелья, и в его серых глазах таилась глубокая печаль. Мне захотелось спросить у него – увижу ли я его когда-либо? Но не хватало сил. Я не хотела прощаться. Не хотела уходить. Жизнь здесь была такой мудрой и спокойной, и всё казалось так просто и хорошо!.. Но там, в моём жестоком и несовершенном мире умирали хорошие люди, и пора было возвращаться, чтобы попытаться хоть кого-то спасти... Это по-настоящему был мой мир, каким бы страшным он не являлся. И мой оставшийся там отец возможно жестоко страдал, не в силах вырваться из лап Караффы, которого я железно решила, чего бы мне это не стоило, уничтожить, даже если за это придётся отдать свою короткую и такую дорогую для меня, жизнь...
– Могу ли я увидеть Анну? – с надеждой в душе, спросила я Севера.
– Прости меня, Изидора, Анна проходит «очищение» от мирской суеты... Перед тем, как она войдёт в тот же зал, где только что находилась ты. Она не сможет к тебе сейчас придти...
– Но почему же мне не понадобилось ничего «очищать»? – удивилась я. – Анна ведь ещё ребёнок, у неё нет слишком много мирской «грязи», не так ли?